有關熱傳導的敘述，何者錯誤？

本題考點

傅立葉熱傳導定律，以及熱力學第二定律對熱流方向的限制。

正解理由

熱傳導遵循傅立葉定律，其穩態形式為 q＝k×A×ΔT÷L，式中 q 為傳導熱流量、k 為熱傳導係數、A 為傳熱截面積、ΔT 為兩端溫度差、L 為傳導距離；而熱力學第二定律指出，在沒有外界作功介入的情況下，熱只會自發地由高溫處流向低溫處。選項所稱「熱量可能由低溫傳至高溫處」與此相違，是錯誤敘述，故選 D。

逐項排除

1. (A)

   敘述正確。截面積 A 位於分子，傳導熱量與物體截面積成正比，截面積越大可通過的熱流越多，屬正相關。

2. (B)

   敘述正確。傳導距離 L 位於分母，距離越遠則溫度梯度越小，在其他條件相同時所傳導的熱量越少。

3. (C)

   敘述正確。溫度差 ΔT 是產生溫度梯度的來源，沒有溫度差就沒有熱傳導，故為熱傳導的驅動力。

4. (D)

   敘述錯誤。單純的熱傳導不會使熱自低溫流向高溫，須藉冷凍循環等外界作功才可能達成，那已不是熱傳導本身的性質。

記憶點

傅立葉定律描述的是溫度梯度驅動的能量傳遞。微分形式寫成單位面積熱通量等於熱傳導係數乘上溫度梯度並取負號，負號正是熱力學第二定律的數學表達：熱流方向與溫度上升方向相反，必然由高溫指向低溫。工程上常用的穩態平板形式 q＝kAΔT÷L，就是把溫度梯度近似為兩表面溫度差除以厚度而得。

熱傳導係數 k 的量級差異，是火災學裡最實用的對照：金屬如銅、鋁在每公尺每度數百瓦的量級，鋼約數十瓦，混凝土、玻璃為個位數，木材約零點一至零點二，礦棉、玻璃棉等隔熱材則更低，靜止空氣約零點零二五，因此多孔材料的隔熱效果主要來自孔隙中被固定住的空氣。這說明了為何金屬構件貫穿區劃時容易把熱帶到鄰室，而多孔隔熱材可以延緩熱傳。

與引燃相關的另一個參數是熱慣性，即熱傳導係數、密度與比熱三者的乘積。熱慣性大的材料受熱時表面溫度上升慢、不易被引燃；熱慣性小的材料如發泡塑膠、薄板材，表面溫度迅速攀升，很快達到引燃溫度，這也是室內裝修材料的燃燒特性差異來源之一。與熱慣性相對的是熱擴散率，其定義為熱傳導係數除以密度與比熱的乘積，代表溫度變化在材料內部傳遞的快慢；熱擴散率大的材料升溫時內部溫度分布很快趨於一致，熱擴散率小的材料則表面熱、內部仍冷，兩者在非穩態受熱的情境下表現完全不同。

三種熱傳方式的對照可一併記：熱傳導需介質且分子不作巨觀位移，熱對流需流體的巨觀流動，熱輻射則不需介質、以電磁波傳遞並與絕對溫度四次方成正比。火場中火焰上方的熱煙氣主要靠對流傳送，煙層對下方人員與可燃物則主要靠輻射，區劃牆體另一側的引燃則靠傳導，命題常要求辨識某一現象由何種熱傳方式主導。